A jelen dolgozat célja, hogy a laikus közönség
számára is érthető módon, röviden összefoglalja a MBFT XXV.
Kongresszusán a bioszenzorika és bio-nanotechnológia témakörökben
elhangzott előadásokat és bemutatott posztereket. További cél, hogy
a keretekhez mérten tájékoztatást adjon az MTA Energiatudományi
Kutatóközpont Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézetben (MTA EK
MFA) működő Nanobioszenzorika Lendület Kutatócsoport kutatási
témáiról az általunk bemutatott előadások és poszterek tükrében.
Annak érdekében, hogy kontextusba helyezhessük az elhangzottakat,
fontos tömören összefoglalni a bioszenzorikát és
bio-nanotechnológiát övező érdeklődés okait, a tudomány és
technológia jelen állásában betöltött szerepüket. Igyekszem röviden
kitérni a legfontosabb kihívásokra, a felkínált lehetőségekre és a
felmerülő korlátokra is.
A bioszenzorika és bio-nanotechnológia tudományban elfoglalt helye
és szerepe – biomolekuláris kölcsönhatások
és jelölésmentes érzékelés
Az emberiség ősi törekvése, hogy az általa tapasztalt külvilág
történéseit, az észlelt jelenségeket megértse, a történések mélyebb
okait felkutassa. Mérőműszerek hiányában a kísérleti vizsgálódás
kezdetén csupán az érzékszerveire támaszkodhatott, így nem csoda,
hogy a tudományterületek felosztása is szorosan kapcsolódott az
érzékszervekhez. Megjelent a hőtan, fénytan, hangtan, mechanika,
melyek kibontakozása és egyre egzaktabbá válása során feltárult egy
olyan valóság, amelyet az ember közvetlenül már nem tudott
megtapasztalni. A „láthatatlan fény”, „hallhatatlan hang” és az
„érezhetetlen nyomás és hő” birodalmában a fizikus kiválóan
eligazodik. Mérőműszereivel adatokat generál, számszerűsíti a
valóságot. Mint Max Born is megemlíti (Born, 1973), Goethét például
taszította ez a világ, az ő számára a valóságos a közvetlenül
megtapasztalható. A szubjektív, egyéni szemlélet és tapasztalat
elengedhetetlenül emberi. A reáltudományok módszertana – az objektív
fogalomalkotás, a tapasztalatok megfosztása az egyéni
szubjektivitástól, a mennyiségek mérése, az adatokat felhasználó
matematikai modellalkotás – viszont olyan sikeresnek bizonyult, hogy
napjainkban néhány grafikuson kívül alig emlékeznek Goethe
elkeseredett vitájára a Newton-féle színelmélettel.
A 20. században az egzakt reáltudományoknak
köszönhetően nagyon fontos lépéseket tettünk a minket körülvevő
fizikai világ megismerésében. Megszületett a relativitáselmélet és a
kvantummechanika, kibontakozott az elektronika. Az atomok, molekulák
apró, láthatatlan világa berobbant a mindennapjainkba. A múlt
században még élénk tudományos vitát válthatott ki, hogy „valóságos,
valóban létező-e az elektron?”. Ma az energetikánk, kommunikációnk
és mérőműszereink elképzelhetetlenek lennének nélküle, a fenti
kérdést a legtöbben megmosolyogják.
A tudomány, emberi megismerés egzakttá tétele révén
általános igazságok kereshetők. Az egyéni szubjektivitás elvész, de
ez a megközelítés óriási lehetőségeket is rejt. A felhasznált
fogalmak letisztázottak, definiáltak, jelentésük mindenki számára
ismert, nem több és nem kevesebb. Az egyéni interpretáció lehetősége
minimalizálódik és nem definiált, de jól körülírt alapfogalmak szűk
körére korlátozódik (például a halmaz fogalma a matematikában). E
nélkül nem lenne űrhajó, repülőgép, okostelefon, internet.
Lehetségessé vált az egyéni intellektuális kapacitások egyesítése.
Ilyen mértékű szellemi összefogásra még nem volt példa az emberiség
történetében.
Napjainkban a biológia egzakt tudománnyá válásának
lehetünk szemtanúi. A mai kor egyik legfontosabb vizsgálódásának
tárgya az élő anyag maga, az emberi test. A modern agykutatás és
pszichológia révén maga a szellem, a gondolat is a
természettudományok vizsgálatának tárgyává válhatott. Ma már tudjuk,
hogy a testünket alkotó szövetek sejtekből állnak. A sejtek maguk
pedig biomolekulákból (lipidek, fehérjék, DNS stb.) épülnek fel. A
piciny, nanométeres méretű biomolekulák kapcsolódásai,
kölcsönhatásai révén valósul meg a sejt összes funkciója. Például a
sejt a külvilágot a sejtfelszínen található receptorokon keresztül
érzékeli. A receptor és kölcsönható párjának kapcsolódása
eredményeképpen konformációváltozások történhetnek a sejtfelszíni
receptorok sejten belüli felületén (intracelluláris felület),
ezáltal ott új kötőfelületek alakulnak ki, amelyhez újabb molekulák
kapcsolódhatnak. A biomolekuláris kölcsönhatások sorozatának
végeredményeként a sejt megváltoztathatja alakját, vagy akár
bizonyos fehérjék termelésébe kezdhet. A biomolekuláris
kölcsönhatásokon keresztül működik az immun- és hormonrendszer, jön
létre a sejt–sejt közötti kommunikáció, szabályozódnak bonyolult
agyi folyamatok.
Melyek ennek a megközelítésnek a korlátai? Például
a biomolekuláris kölcsönhatások feltérképezése útján megmagyarázható
lesz-e, mi a gondolat, mi a lélek? Niels Bohr és Max Born, a 20.
század két nagy fizikusa, a kvantummechnika úttörői szerint
valószínűleg az út végén ráébredünk majd fogalmaink korlátoltságára.
A „test” és a „lélek” között olyan viszonyt valószínűsítenek, mint
amely megfigyelhető az atomi világ építőelemeinek hullám- és
részecsketermészete között. Egymással komplementer fogalmak, de
egymásra nem redukálhatóak (Born, 1973). Kijelenthető viszont, hogy
a biomolekuláris kölcsönhatások mély megismerése révén egy olyan
tudományos és technológiai forradalom bontakozik ki, amely
mindennapi jelentőségét tekintve valószínűleg felül fogja múlni a
20. század tudományos és technológiai fejlődését.
A modern biológia fejlődéséhez és az eredményei
gyakorlati kiaknázásához járulhat hozzá a bioszenzorika és
bio-nanotechnológia. A bioszenzorika a biológia, kémia, fizika,
informatika határterületén született új, interdiszciplináris
tudományág. Kezdetekben a biomolekulák koncentrációjának gyors,
pontos és költséghatékony meghatározása volt a fő célja. Az első
bioszenzor a vércukorszintmérő, amely a vérben található glükóz
koncentrációjának meghatározását teszi lehetővé másodpercek alatt,
akár egyetlen csepp emberi vérből. A terület intenzív érdeklődésnek
örvend napjainkban is.
Fontos kihívás például, hogy a vércukorszintmérőhöz
hasonlóan betegségekre, kóros elváltozásokra jellemző molekulák
mennyiségét is meghatározzuk testfolyadékokban. Így a betegségek
nagyon korai stádiumban, akár már a kialakulásuk előtt is
diagnosztizálhatóak lennének. A kapcsolódó bio-nanotechnológiák
segítségével pedig ezen a molekuláris szinten tudnánk hatékonyan
beavatkozni az élettani folyamatokba. A kihívás óriási, hiszen
például a rákos elváltozásokra jellemző molekulák (ún. biológiai
markerek) koncentrációja több nagyságrenddel alacsonyabb a vérben,
mint a glükóz koncentrációja. Ráadásul a piciny mennyiségeket a
milliószor-milliárdszor nagyobb koncentrációban jelen lévő
szérumfehérjék intenzív háttere mellett kell kimutatni. Ezen okokból
a technológiai fejlesztések egyik fontos célja a bioszenzorok
érzékenységének drasztikus növelése, a háttérzajok minimalizálása.
A fejlesztések révén – a
koncentráció-meghatározáson túl – a bioszenzorok egyéb területeken
is alkalmazásra találtak. Ilyen például a biomolekulák
kapcsolódásának időbeli követése, a kötések erősségének
feltérképezése (affinitásvizsgálatok). Az alapkutatások mellett
például igényli ezeket a vizsgálatokat a gyógyszerfejlesztés is,
hiszen a gyógyszerek molekuláris hatóanyagai a legtöbb esetben
sejtfelszíni receptorokhoz kapcsolódnak, módosítják az adott
receptor funkcióját. Fontos új irány a fragmensalapú
gyógyszerkutatás. Ebben az esetben pár 100 Da molekulatömegű
építőelem (fragmensek) affinitásait térképezik fel, ezen elemekből,
tudatos tervezés eredményeként áll később össze a
hatóanyag-molekula. Ezzel párhuzamosan egyre nagyobb szerepet kap az
intelligens molekuladinamikai szimulációkon alapuló
gyógyszertervezés is. Kiderült, hogy az erősebb hatóanyag-bekötődés
nem feltétlenül jelent intenzívebb biológiai választ, a sejtből
izolált receptorokon végzett vizsgálatok eredménye sok esetben
félrevezetőek. Ezen okokból napjainkban egyre inkább előtérbe
kerülnek az élősejt-alapú bioszenzorok, melyek segítségével a
sejtfelszíni receptorok dinamikai változásai természetes
környezetükben tanulmányozhatóak, a molekuláris bekötődésen túl a
biológiai aktivitás is modellezhető.
Míg a molekuláris koncentráció meghatározásánál
előnyös a molekuláris jelölők alkalmazása – a célmolekulákhoz
fluoreszcens vagy radioaktív molekulák hozzákapcsolása a könnyebb és
pontosabb detektálás érdekében – a jelölők alkalmazása hátrányos is
lehet. Nem csupán megnövelik a biológiai tesztek költségeit, de
jelenlétükkel módosíthatják a kapott eredményeket. Számos esetben a
jelölők alkalmazása egyáltalán nem lehetséges. Például kis molekulák
bekötődése esetén előfordulhat, hogy a kötőzsebbe már nem fér bele a
megjelölt molekula, vagy a kötés maga a jelölés révén jön létre. A
sejtek dinamikai válaszait is torzíthatja a jelölők alkalmazása. Így
napjainkban intenzív azon érzékelők kutatás-fejlesztése, melyek nem
alkalmaznak jelölőket. Ezen esetekben a bioszenzor jelet a bekötött
molekula puszta jelenléte váltja ki. A kötődés következtében
lokálisan megváltozhat a törésmutató (optikai sűrűség), tömeg vagy
töltés. Az említett mennyiségek nagy pontosságú követése révén a
bekötődés folyamata valós időben követhető. Az ezeken az elveken
működő szenzorokat jelölésmentes bioszenzoroknak nevezzük. A szekció
előadói is ilyen jelölésmentes szenzorokat fejlesztenek vagy
használtak fel kutatásaikban.
Összességében elmondható, hogy a modern szenzorok
felhasználásával a biológiai rendszerek molekuláris viszonyairól
nyerhetünk értékes információt. Ezek az eszközök alkalmazásra
találnak a rutin orvosi diagnosztikában. Az olcsó és egyre inkább
miniatürizált eszközök segítségével a kezelést pontosan a páciens
állapotához lehet igazítani, létrejöhet egy hatékony, személyre
szabott gyógyászat. Mindezek mellett a legmodernebb bioszenzorok
fontos szerepet fognak betölteni a biológiai és biofizikai
alapkutatásokban is.
A Nanobioszenzorika Lendület Csoport bemutatása, tagjainak
előadásai és poszterei
A 2012-ben alakult Nanobioszenzorika Lendület Kutatócsoport kutatási
profilja optikai bioszenzorok fejlesztése és alkalmazása, a vizsgált
biológiai-biofizikai folyamatok modellezése. Kutatásainkban olyan
optikai elven működő bioszenzorokat fejlesztünk ki, amelyek minden
tekintetben megfelelnek a legújabb kihívásoknak. Páratlan
érzékenységük utat nyit az extrém kis koncentrációban jelen lévő
molekulák kimutatásán túl az élő sejteken belüli molekuláris
mozgások és átrendeződések hatékony monitorozásának is. Nagy
hangsúlyt fektetünk a jelölésmentes érzékelők kutatására, mivel a
napjainkban általánosan alkalmazott jelölők bizonyos esetekben
befolyásolhatják a kísérletek eredményeit, a vizsgált molekulák és
sejtek állapotát. A szenzorelemek, érzékelő receptorrétegek és
orvosbiológiai alkalmazások kutatására fókuszáló multidiszciplináris
csoport olyan újszerű kutatási irány meghonosítását tűzi ki célul,
amely az alap- és alkalmazott kutatások szempontjából is nagy
jelentőséggel bír.
Nagy általánosságban az optikai bioszenzorokban a
fény és a vizsgálandó minta kölcsönhatása révén a fény adott
paramétere megváltozik, melyet alkalmas módon mérünk. Ez a fizikai
paraméter lehet: intenzitás (abszorpciós szenzorok, gázszenzorok), a
fény polarizációs állapota (például ellipszometria), fázissebesség
(a legtöbb integrált optikai szenzor), de a fény speciális anyagok
(markerek) fluoreszcenciáját is indukálhatja. Igen elterjedtek azok
az elrendezések, amikor a mintát monitorozó fény nem szabad térben
terjed, hanem egy határfelülethez kötött evaneszcens (vagy más
szóval: inhomogén) hullám. Az evaneszcens hullám intenzitása a
szenzorfelületen maximális, és a folyadékfázisban exponenciálisan
csökken. Ilyen típusú szenzorok közé sorolhatóak a felületi
plazmonokat felhasználó elrendezések is (SPR). Nagyobb érzékenységű
szenzorok készíthetők integrált optikai hullámvezetők
alkalmazásával, ahol a hullámvezetőben terjedő módus elektromágneses
térerősség-eloszlása adja a folyadékfázisban az inhomogén hullámot
(például Optical Waveguide Lightmode Spectroscopy [OWLS], melyet a
magyar Mikrovákuum Kft. gyárt és forgalmaz).
Az evaneszcens hullám behatolási mélysége a mintába
tipikusan 100–200 nm, ami kiválóan alkalmas biomolekuláris
folyamatok nyomon követésére. A fenti technikákat széles körben
alkalmazzák kisméretű molekulák, fehérjék, nukleinsavak,
glikoproteinek, lipid kettősrétegek vizsgálatában a folyadék–szilárd
határfelületen. Kutatócsoportunk az evaneszcenshullám-alapú
érzékelésre fókuszál. Hazánkban elsőként alakítottunk ki egy
sejtkultúrás bioszenzorikai laboratóriumot, lehetővé téve a jelenleg
még unikális és rendkívül ígéretes „élő sejtek jelölésmentes
bioszenzorikája” kutatási terület művelését. Egyik fókuszterület a
sejtkitapadás vizsgálata, a sejt–szubsztrátum kontaktzóna dinamikus
változásainak feltérképezése evaneszcens hullámok felhasználásával.
A sejtadhézió minden többsejtes
|